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发信人: syc (强劲动力), 信区: Architecture
标  题: 给世界一个新结构，给结构一个新世界
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年08月28日16:03:22 星期二), 站内信件

　　水泥混凝土的发明是土本建筑工程的一项关键性进步，它不只是产生了一种新
的建筑材料，加了钢筋之后还延生了一种新的受力断面--复合断面，不同弹模材料
共同受力，协调应变。力学的分析要能处理这种断面，也推进了理论的发展。以后
有无数的研究来探讨钢筋混凝土的性能，从混凝土各种原料的组成比例，各自的性
能，钢筋的配布到外掺剂的应用，大大丰富了材料力学。其发展的成熟演进而产生
了预应力混凝土，建立预应力大小的量，不但分出三个等级，导出了预应力度的概
念。反过来又使工程师们进一步认识和去探讨混凝土的徐变、钢材的松驰等原有材
料的深层次的特性。促使钢材向高强低松驰发展，混凝土向高强度、良好的工作度
发展。
　　说它是种新的材料，更确切地说它是一种新的结构，它是结构的内在组合断面
，也可以把预应力视作施加予结构的外力，从而为结构开拓了新的世界，为世界创
造了新的结构，今天我们已经熟悉了预应力结构，使用得熟稔了。认为它们理所当
然是应该这样做的。实质上，这是一个奇异的飞跃进步。这在建筑史上是屈指可数
的进步之一。预应力不只是一种新工艺，新技术，新材料，新结构，更重要的它是
一个广泛性原理。预应力：经长期研究、使用，从预应力材料、锚具、张拉设备、
结构高压力区的相适应的构造，已经成了一个系统，也创造了许多的预应力体系，
真不简单。可是它的原理是非常简单的：就是对结构物加上一个力C，使在组成结
构物材料的任何一点上都发生一个随着力C增加的应力N，dn／dm关系无论如何是从
发现应变定律以后早就知道的了。因此，在结构物的各点上和在各个方向中均存在
着：
　　　　　N＝KC＋A
　　K、A是时间函数和受力状况的函数。
　　如果所有的N值都在某些限值Na和Nb的范围之内，则安全就有保障，并在每个
方向中，可得出同样的控制公式：
　　Na＜Kc＋A＜Nb
　　显然只有知道了结构物各点上的和在每个方向上的A值后，才能计算出该结构
物在破坏之前所能承受的最大荷载C。为了便于计算起见，传统的设计都把A值统一
拟定为零，尽管事实上几乎永不可能是这样的。这样做当然是非常方便，但是实用
上就否定了许许多多可能产生的结果，而有些是在性能上和经济上是非常有利的结
果，也被否定了。当然会有少数特殊事例A＝0是最好的数值--这个条件不允许出现
C的最高值。简而言之，利用预应力就是拒绝接受A＝0的简便计算法；也就是迫使
自己去发现和应用对A最有利的数值系统。
　　已经确定采用预应力，预应力值的确定是一个经验和理论的智慧问题；首先要
清楚A值不能完全任意规定，它的数值与造成预应力的方式有关。事实上，预应力
总是由加在结构物上相互平衡的一个系统的外力造成的。因此预加应力的问题在
任何情况下均在于确定一个系统的力，这些力加在所研究的结构物上就造成应力A
的系统，使得与这个系统相适应的力C的限值和允许的疲劳应力限值对上述问题提
供了最好的解决方案；此后这种体系一经决定，要找出实现的方法。
　　混凝土是一种应用结构材料的混合物，令工程师们最为欣赏和极其满意的是其
可模型，可在现场做成设计人员所希望做成的理想断面形式，(只要拆模可行)，并
加筋在最需要的部位；预先加上主荷载承载力的相反的反外力，作用在最适当的位
置。从构造行为学角度来看，这又是人和材料的一种相对关系的变化，在预应力结
构中，钢的作用也完全改变了；以往它只是钢筋--是代替不能受拉力的混凝土的一
种被动材料，在预应力混凝土中，钢就成为能由工程师来支配的一个力，能让他使
混凝土具有均匀和弹性体的性质，并且还考虑到结构物使用状况在它荷载作用下产
生的应变力方向和大小，对混凝土预先造成有利的初始受力状态。对简化的平面结
构，这是很理想的。但结构总是空间的，受力是多元的，各向的，复合的；而定向
加筋和单向预应力混凝土，肯定形成材料各向异性，作为结构来看，还要配置一定
比例的非预应力筋，从构造上要形成骨架成笼成网。以弥补混凝土的脆性和抗拉性
能差的缺陷。这样才能在非主受力方向有足够的刚度和协调变形、传递外力、分布
内力。如果还不够强，不够劲，因而许多场合还要配置双向预应力或三向预应力。

　这一种创造是多年实践形成，其间有许多工程师、科学家、学者对上述方方面
面都做过详尽的试验和理论分析。箸名的如弗来西奈、居易翁、阿皮里斯、林同炎
，莱翁哈特等前辈。 
　　作为土木工程师，欣赏混凝土给我们带来方便之同时还必须十分了解混凝土。
它开拓出加筋后的新天地，但毕竟它是一种混合物。它的性能不能不受所混合的材
料、砂、石、水、水泥的左右。涉及到其强度，耐磨性和耐久性，需有材料学的知
识；混合物不是化合物，(虽有水泥水化的化学作用)，其分子力不占是很大比重。
其均匀程度和密实程度会影响其容重，密度、透水性，耐久仍至强度，这与其拌和
、浇灌、振捣、成型、养护环境的一整套工艺系列有关，研究工艺学会有新的发现
改变传统观念，如过去我们总认为混凝土的强度，其他因素不变，还和其密实程度
有关，且成正比，但研究结果发现尽管采用的是同一种集料和同一种水泥，如果
能使集料颗粒间具有较好的接触，那我们就能在一定条件下制成虽然密实度较低但
强度可以较高的混凝土。如果使密实度保持不变而改变水泥用量，又可以在一定范
围内使混凝土强度发生变化。此外，如果使密实度保持不变而改变各种不同矿物组
成的集料的含量，也可使混凝土发生变化。
　　混凝土强度的主要因素是水泥及其水化，振捣的振幅和频率的变化对不同颗粒
骨料作用不同，都应用了化学和物理学原理。而且在混凝土成型长期的"有生命"现
象，如收缩、徐变，一直都在吸引工程师们的好奇性，探索其微观的作用机理。因
此对混凝土的研究和了解还在深入和发展。自然，研究它兴趣是一方面，大多注意
实用性的需要出发。混凝土均匀性不足，拉压异性，耐磨性、渗水性、耐久性，工
作度等等并非定向加筋和施加预应力都能充分与和必要地得到解决。因此近期另一
类加筋--不定向加筋正在发展。
　　显然不定向加筋结构它在受力上不敌定向加筋的结构方向强，但在受力幅度不
大，而又无明确的受力方向，非定向加筋是有很大优点的，特别是改善混凝土的一
些基本物理特性方面，如防渗漏、耐磨、耐久、抗冻能力，避免和减少收缩和温度
裂缝方面很是有效，可以延长结构物的寿命。况且非定向加筋又是非常简易和方便
，相对预应力工艺，它又非常便宜。现分别将最近国内外的纤维加筋混凝土介绍如
下。
　　纤维混凝土一般实用中掺钢纤维和化学纤维两大类。这两种纤维混凝土，有其
相同之处，也有各自特点。
　　纲纤维混凝土，用得较早，曾有许多应用的尝试和作过相应的试验。尽管施工
人员，千辛万苦，想方设法要把细钢丝掺入混凝土中，但终究没有建立起成熟应用
的方法，更谈不上从力学和其他物理性能上做出一套完整试验，提供数据供应用时
设计和计算理论上作依据，那怕只是参考指南也行。主要问题是掺入钢丝分散困难
，不均匀，易成球结团。不但不能改善混凝土性能，反而使其正常性能受到影响，
可以说没能成气候。直到80年代，新型钢纤维面世，生产方法完善了，应用工艺过
关了，为此各高等学府和研究机构，使用单位都做了不少研究工作，就物理、力学
、工艺上提出许多实用参数。纲纤维混凝土进入一个新阶段，但至今还没有被大多
数工程师所熟悉。现在此作论述性介绍，供在公路上混凝土路面的新建和修补应
用。
　　80年代以来新型钢纤维有3种
　　1、短钢丝纤维，2、钢板剪切纤维，3、钢锭铣削纤维。要说明这3类钢纤维的
优劣和适用性，应从钢纤维对混凝土的增强、增韧的作用机理来分析和探讨。这个
机理主要体现在钢纤维和混凝土基体的粘结力来实现，由于其粘结作用，使钢纤维
能起到阻止裂缝开展并承受荷载。还由于粘结滑移消耗大量的能，使混凝土微裂后
，状况和性能发生了根本变化，大大改善了混凝土变形性能。许多讨论证实了这一
点，衡量粘结性能的指标是接触界面的粘结强度。这与接触界面的大小和界面状态
是有直接关系的，亦即钢纤维的外形不同，其粘结性能不同。结于光滑表面的钢丝
，同样重量的材料圆形的表面积最小，而光滑表面的粘结力又小。因此，试验中光
滑钢丝短纤维的指标远不如扁平纤维，已无比较必要。为改进这种状态，改变钢丝
外形弯曲成钩，虽然粘结力稍有改善，但相应带来不易分散，掺入不匀的缺点。
　　试验结果表明，钢纤维形态是影响钢纤维与水泥砂浆粘结强度的重要因素，随
着钢纤维混凝土的逐步推广和应用，各种异型钢纤维也应运而生。对同一基体，异
型钢纤维比直线钢纤维有更好的粘结性能。现选用鞍山产剪切平直型、比利时产贝
卡尔特和上海产哈瑞克斯钢纤维作了钢纤维拔出试验，水泥砂浆参数及试验结果如
表1。

　　从表1可见，对同一配比的水泥砂浆而言，贝卡尔特钢纤维较剪切平直型钢纤
维界面粘结强度高很多；而不同类型的异型钢纤维的界面粘结强度相差也较大。表
1后两栏中同一砂浆对不同厂生产同为铣削型钢纤维为什么粘结强度也有12％出入
的原因是比面积因素。试看表2的钢纤维特征参数，贝卡尔特的长径比要比哈瑞克
斯大许多。

　　薄板剪切钢纤维，该种纤维的制作工艺比较简单，原料是同所需纤维长度一样
宽的薄钢板，再经剪切制成，在剪切中钢纤维稍带弯曲和扭曲，这样能增加粘结强
度。
　　钢锭铣削钢纤维，这是采用钢锭为原料，用铣刀进行切削制成的纤维，这种纤
维的特点是轴向发生扭曲，并且通过改进刀具可以使纤维表面产生粗糙面，此外，
前两种纤维在生产过程中表面或多或少会粘有油污等杂质，而该纤维的生产方法确
保其表面洁净。因此用该方法制得的钢纤维与混凝土基体的粘结强度要高于前两种
钢纤维。
　　粘结力除了钢纤维形态之外，还与其所处基体混凝土有关。已经知道混凝土中
水泥基体与骨料的界面是混凝土的薄弱环节。对于钢纤维混凝土而言，同理水泥基
体和钢纤维的界面，亦总是钢纤维混凝土中最薄弱的环节，水泥石和钢纤维的界面
粘结主要是物理结合。所谓物理结合是由于水泥水化物与钢纤维界面间的粘着和机
械啮合作用引起的。因此，除钢纤维的外形影响物理结合外，另一因素是水泥石，
所以要提高钢纤维与混凝土基体的粘结强度，有两种方法，一方面可以从改善钢纤
维形态特征入手，另一方面也可以从胶凝村料入手。
　　研究表明，混凝土基体强度的提高并不同粘结强度的提高成正比，而且其效果
并不明显，钢纤维在混凝土中可看作为粗骨料，在浇筑和成型过程中，钢纤维一般
会取向成水平排列，尤其在上下两个面层中，在钢纤维的下表面会聚集起一些气泡
和水膜，这样将大大影响钢纤维与混凝土基体的粘结。因此，实践证明，降低混凝
土的用水量和掺加一些矿物外加剂是较为有效的方法，通过使用减水剂等外加剂可
以大大降低用水量，减少混凝土的分层和泌水，提高混凝土基体的密实度。此外通
过添加矿物外加剂如硅粉和优质粉煤灰也可以使得混凝土的颗粒级配更趋合理，提
高钢纤维与混凝土基体的过渡层的密实度，从而改善其粘结强度。
　　混凝土中掺入钢纤维，其内的粘结力，使混凝土自身变形有了内在的阻滞和约
束，影响了混凝土自由变形。可以防止混凝土过早出现微裂，产生微裂后也会阻止
微裂缝的进一步发展，这是由于钢纤维混凝土的增强机制，钢纤维与混凝土的粘结
性能对这种限制起着主导作用，而且钢纤维的外形不同影响作用亦不同。对于光滑
表面的钢丝、剪切钢纤维而言，由于它的表面粘结力小，只能给予产生裂缝内部应
力的传递作用。具体表现在可见裂缝形成后，钢丝纤维的锚端阻止裂缝的扩展，而
将作用在裂缝上的应力分散传播到其它方向，所以钢丝或剪切纤维只能限制可见裂
缝的延伸。与它们不同的是铣削钢纤维与水泥基体之间具有较强的粘结力，因为它
有较大的接触面积，在硬化水泥浆体内，铣削钢纤维的整个长度呈现锚固形，所以
它能在最大程度上阻止混凝土内裂缝的形成。混凝土的缩胀变形与混凝土本身有无
约束条件有很大关系。混凝土在不受约束条件下，如未配钢筋或纤维材料或尺寸很
小的试件，此时的收缩为自由收缩，这时，结构内部质点经收缩而靠近，称为相向
变形，处于受压状态，不会引起开裂；如果配置较多的钢筋或大尺寸混凝土表层的
收缩受到限制则为限制收缩，这时，结构内部质点因收缩反向分离开来，称为背向
变形，处于受拉状态。当限制收缩应力超过其抗拉强度，就会引起开裂。同理、自
由膨胀是质点产生背向变形，处于受压状态，不发生开裂。
　　混凝土的裂缝大体上可分二类：一类混凝土自身收缩及环境气候影响所产生的
裂缝；另一类是由外力所产生的裂缝，即结构裂缝。结构裂缝我们用定向加筋或预
应力已经很好的解决了。这里主要考虑前者。
　　引起混凝土开裂的因素很多，因此要安全避免混凝土中裂缝的产生是不可能的
，裂缝一旦形成由于其内部应力的推动下，裂缝将沿着混凝土的薄弱部位不断发展
。钢纤维在混凝土中的阻裂作用主要表现在以下两个方面，首先钢纤维能显著提高
混凝土抗塑性收缩的能力，当混凝土浇筑完成后，裂缝产生的主要原因就是其内部
的水份不一致蒸发，造成不均匀的体积收缩所致。这时，混凝土的尚未硬化不能产
生足够的强度以抵抗这一收缩应力，水泥浆体收缩引起的拉应力，从而抑制微裂缝
的产生和发展。其次钢纤维可降低裂缝尖端的应力集中，防止微裂缝的进一步发展
。众所周知一旦裂缝形成，其尖端就会产生应力集中，裂缝会因此而继续扩展，但
当其尖端发展到与纤维相交时，钢纤维即可抵消其部分或全部的应力。由于钢纤维
在混凝土中呈三维状态分布，所以可有效地防止裂缝发展成贯穿裂缝。正是由于这
些原因，掺入钢纤维可大大减少混凝土内部的宏观裂缝(裂缝宽度大于0.05mm)数量
。由于裂缝得到有效控制，混凝土耐久性也将显著提高。
　　从上述粘结机理和抗阻开裂来看，可以认为钢纤维混凝土是加强混凝土力学的
，但是对受压和受拉强度的效果却是不同的，恰恰弥补了混凝土抗拉力弱的缺点。
试验表明，钢纤维混凝土的抗压强度及早期抗压强度均比普通混凝土提高5％～20
％，但不稳定，且与混凝土标号、钢纤维参量没有明显的关系和规律，故在设计时
不考虑其抗压强度的差异。
　　铣削钢纤维混凝土和普通混凝土弯拉强度及其增长幅度如表3。可以看出，钢
纤维混凝土弯拉强度有较大提高，且与钢纤维的参量相关。同时标号过高的混凝土
，其弯拉强度增加幅度有所变小。综合国内外若干钢纤维混凝土铺面工程实例，其
中混凝土混合料中水泥用量为350kg／m3～444kg／m3，水灰比为0.45～0.56，钢纤
维掺量为30kg／m3～90kg／m3。钢纤维混凝土28d弯拉强度Rd与钢纤维掺量f的相
关关系如图1。当钢纤维掺量较高时，弯拉强度的增长趋势也有所减缓。

由于测试结果多数来自实验室，所以扣除一定的折减系数(0.10～0.15)后，可
以得到钢纤维混凝土弯拉强度与铣削钢纤维掺量的相关公式：
　　Rb＝R0(1＋mfn)
　　式中：Rb-钢纤维混凝土的28d弯拉强度Mpa；
　　　　　R0-基准混凝土28d弯拉强度。
　　若用本式推算钢纤维混凝土弯拉强度时，则R0表示现行混凝土路面要求的同
强度等级的弯拉强度设计值，Mpa；
　　m-铣削钢纤维特性系数；
　　n-铣削钢纤维掺量修正指数，一般取为1.0～0.70。
　　对上述各应用工程实测数量，进行加工整理后，其相应的相关公式为：
　　Rb＝R0(1＋0.014f0.75)
　　通过上述相关公式，在某工程设计中，在确定了交通等级后，就可以按照相
应的设计弯拉强度要求值，确定出钢纤维材料的掺量，例如，对应于基准弯拉强
度Rb为4.00Mpa的混凝土材料来说，只要掺加30kg／m3就可以使混凝土弯拉强度提
高一级，达到4.50Mpa；掺加60kg／m3则可以使混凝土弯拉强度提高两级，达到5.
00Mpa；而对于基准弯拉强度Rb为5.00Mpa的混凝土材料来说，只需掺加45kg／m3钢
纤维材料，就可以使混凝土弯拉强度提高两个等级，达到6.00Mpa。钢纤维混凝土
提高同级混凝土的抗弯拉强度，这对应用于水泥混凝土路面是有用的。
　　上海同济大学材料系所作强度试验资料列于表4，混凝土按C30配制，425#普通
硅酸水泥：350kg／m3，并掺入高效减水剂(SN－Ⅱ6.125kg／m3)。

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     那天上，有一轮那么蓝的月亮。

     满天的银河，把光辉静静照在一只哭泣的猪身上。

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